DE102020212545B4

DE102020212545B4 - Synchronized laser hybrid welding process

Info

Publication number: DE102020212545B4
Application number: DE102020212545.7A
Authority: DE
Inventors: Manuel Binder; Andreas Waldhör
Original assignee: Fronius International GmbH
Current assignee: Fronius International GmbH
Priority date: 2020-10-05
Filing date: 2020-10-05
Publication date: 2023-03-23
Anticipated expiration: 2040-10-06
Also published as: DE102020212545A1

Abstract

Laser-Hybrid-Schweißverfahren zum Schweißen eines Werkstückes (W) mittels eines Lichtbogens (LB), der an einer Schweißstelle (SS) zwischen dem Werkstück (W) und einer reversierenden Schweißdrahtelektrode (3) gezündet wird, welche von einer Schweißstromquelle (7) mit einem Schweißstrom (I) versorgt wird, wobei mehrere Schweißzyklen (SZ1, SZ2) ausgeführt werden, von denen jeder mehrere Schweißphasen (SP) umfasst, wobei in jedem Schweißzyklus (SZ1, SZ2):- ein auf eine Oberfläche des Werkstückes (W) gerichteter Laserstrahl (LS), der von einer Laserstrahlquelle (5) abgegeben wird, mit dem während den verschiedenen Schweißphasen (SP) des jeweiligen Schweißzyklus (SZ) eines Schweißprozesses auftretenden Lichtbogen (LB) durch eine Steuereinheit (4) zeitlich in Echtzeit synchronisiert wird,- eine Bewegungsrichtung und eine Drahtvorschubgeschwindigkeit (VD) der reversierenden Schweißdrahtelektrode (3) in Abhängigkeit einer momentanen Schweißphase(SP) des Schweißprozesses durch die Steuereinheit (4) gesteuert werden, und- eine Laserleistung (P) des von der Laserstrahlquelle (5) abgegebenen Laserstrahls (LS) durch die Steuereinheit (4) in Abhängigkeit von der momentanen Schweißphase(SP) des Schweißprozesses automatisch eingestellt wird.Laser hybrid welding process for welding a workpiece (W) by means of an arc (LB) which is ignited at a welding point (SS) between the workpiece (W) and a reversing welding wire electrode (3) which is powered by a welding power source (7). is supplied with a welding current (I), several welding cycles (SZ1, SZ2) being carried out, each of which comprises several welding phases (SP), wherein in each welding cycle (SZ1, SZ2):- a directed to a surface of the workpiece (W). Laser beam (LS), which is emitted by a laser beam source (5), is synchronized in real time with the arc (LB) occurring during the various welding phases (SP) of the respective welding cycle (SZ) of a welding process by a control unit (4), a direction of movement and a wire feed speed (VD) of the reversing welding wire electrode (3) depending on a current welding phase (SP) of the welding process by the control unit (4) are controlled, and a laser power (P) of the laser beam (LS) emitted by the laser beam source (5) is automatically adjusted by the control unit (4) depending on the current welding phase (SP) of the welding process.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laser-Hybrid-Schweißverfahren zum Schweißen eines Werkstückes und ein entsprechendes Laser-Hybrid-Schweißgerät, bei der eine Abgabe eines von einer Laserstrahlquelle abgegebenen Laserstrahls und das Zünden eines Lichtbogens in verschiedenen Schweißphasen eines Schweißprozesses automatisch zeitlich miteinander synchronisiert werden.The invention relates to a laser-hybrid welding method for welding a workpiece and a corresponding laser-hybrid welding device in which the emission of a laser beam emitted by a laser beam source and the ignition of an arc are automatically synchronized in terms of time in different welding phases of a welding process.

Beim Laser-Hybrid-Schweißverfahren wird ein Werkstück zur Herstellung einer Schweißnaht mithilfe eines Lichtbogens geschweißt, der zwischen einer Schweißdrahtelektrode und einer Schweißstelle des Werkstückes gezündet werden kann. Ferner wird von einer Laserstrahlquelle ein Laserstrahl auf die Oberflächen der zu verschweißenden Werkstücke bzw. des zu verschweißenden Werkstückes abgegeben. Allerdings erfolgt bei herkömmlichen Schweißgeräten keine zeitliche Synchronisierung zwischen dem in einigen Schweißphasen eines Schweißprozesses gezündeten Lichtbogen und dem von der Laserstrahlquelle erzeugten Laserstrahl.In the laser hybrid welding process, a workpiece is welded to produce a weld seam using an arc that can be ignited between a welding wire electrode and a weld point on the workpiece. Furthermore, a laser beam is emitted from a laser beam source onto the surfaces of the workpieces to be welded or of the workpiece to be welded. However, in conventional welding devices there is no time synchronization between the arc ignited in some welding phases of a welding process and the laser beam generated by the laser beam source.

Aufgrund der fehlenden zeitlichen Synchronisierung der verschiedenen Schweißphasen des Schweißprozesses mit dem durch die Laserstrahlquelle erzeugten Laserstrahl kann der Energieeintrag des Laserstrahls nicht auf die verschiedenen Schweißphasen abgestimmt werden, sodass die Qualität der hergestellten Schweißnaht nicht optimal ist.Due to the lack of temporal synchronization of the different welding phases of the welding process with the laser beam generated by the laser beam source, the energy input of the laser beam cannot be matched to the different welding phases, so that the quality of the welded seam produced is not optimal.

In der JP 2013 - 212 541 A wird ein Laser-Hybridschweißverfahren beschrieben, bei welchem ein auf die Schweißstelle gerichteter Laser unmittelbar nach Ausbildung eines Lichtbogens zwischen der Schweißstelle und einer Schweißelektrode aktiviert wird.In the JP 2013 - 212 541 A describes a hybrid laser welding method in which a laser directed at the weld point is activated immediately after an arc has formed between the weld point and a welding electrode.

In der JP 2004 - 17 059 A wird ein Verfahren zum initialen Zünden eines Lichtbogens in einem Laser-Hybrid-Schweißverfahren offenbart, wobei eine Schweißdrahtelektrode zum Zünden eines Lichtbogens zum Werkstück hin und von diesem weg bewegt wird. Nach dem Zünden des Lichtbogens erfolgt eine durchgehende Bestrahlung der Schweißstelle mittels des Lasers bei konstantem Vorschub der Schweißdrahtelektrode.In the JP 2004 - 17 059 A discloses a method for initially striking an arc in a laser hybrid welding process, wherein a welding wire electrode is moved toward and away from the workpiece to strike an arc. After the arc has been ignited, the welding point is continuously irradiated by the laser with a constant feed of the welding wire electrode.

Die EP 1 824 634 B1 offenbart ein weiteres Schweißverfahren, bei dem nach dem Zünden des Lichtbogens bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit und mit konstanter Leistung betriebenem Laser geschweißt wird. Ein ähnliches Verfahren wird in der US 2005 / 0 284 853 A1 beschrieben.The EP 1 824 634 B1 discloses a further welding process in which, after the arc has been ignited, welding is carried out at a constant feed rate and with a laser operated at constant power. A similar procedure is used in U.S. 2005/0 284 853 A1 described.

Weitere Laser-Hybridschweißverfahren werden in der JP 2005 - 238 301 A und der AT 413 667 B beschrieben. Die DE 11 2014 005 891 T5 beschreibt ein Schweißverfahren, das einen Laser als Energiequelle verwendet und dessen Ziel es ist, eine Entfestigung in einer Wärmeeinflusszone um das Schmelzbad zu minimieren.Further laser hybrid welding processes are discussed in the JP 2005 - 238 301 A and the AT 413 667 B described. The DE 11 2014 005 891 T5 describes a welding process that uses a laser as the energy source and whose goal is to minimize softening in a heat-affected zone around the weld pool.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Laser-Hybrid-Schweißverfahren zum Schweißen mindestens eines Werkstückes zu schaffen, bei dem das Schweißergebnis bzw. die Qualität der hergestellten Schweißnaht erhöht wird.It is an object of the present invention to create a laser hybrid welding method for welding at least one workpiece, in which the welding result or the quality of the weld seam produced is increased.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Laser-Hybrid-Schweißverfahren mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.According to the invention, this object is achieved by a laser-hybrid welding process having the features specified in patent claim 1 .

Die Erfindung schafft demnach ein Laser-Hybrid-Schweißverfahren zum Schweißen eines Werkstückes mittels eines Lichtbogens in einem oder mehreren Schweißprozessen, wobei der Lichtbogen an einer Schweißstelle zwischen dem Werkstück und einer reversierenden Schweißdrahtelektrode gezündet wird, welche von einer Schweißstromquelle mit einem Schweißstrom versorgt wird, wobei mehrere Schweißzyklen ausgeführt werden, von denen jeder mehrere Schweißphasen umfasst, wobei in jedem Schweißzyklus: ein auf einer Oberfläche des Werkstückes gerichteter Laserstrahl, der von einer Laserstrahlquelle abgegeben wird, mit dem während verschiedener Schweißphasen des jeweiligen Schweißzyklus eines Schweißprozesses auftretenden Lichtbogen durch eine Steuereinheit der Schweißstromquelle zeitlich in Echtzeit synchronisiert wird, eine Bewegungsrichtung und eine Drahtvorschubgeschwindigkeit der reversierenden Schweißdrahtelektrode in Abhängigkeit einer momentanen Schweißphase des Schweißprozesses durch die Steuereinheit gesteuert werden, und eine Laserleistung des von der Laserstrahlquelle abgegebenen Laserstrahls durch die Steuereinheit in Abhängigkeit von der momentanen Schweißphase des Schweißprozesses automatisch eingestellt wird.The invention therefore provides a laser hybrid welding method for welding a workpiece by means of an arc in one or more welding processes, the arc being ignited at a welding point between the workpiece and a reversing welding wire electrode, which is supplied with a welding current from a welding current source, wherein several welding cycles are carried out, each of which comprises several welding phases, wherein in each welding cycle: a laser beam directed on a surface of the workpiece, emitted by a laser beam source, with the arc occurring during different welding phases of the respective welding cycle of a welding process by a control unit of the welding power source is synchronized in time in real time, a direction of movement and a wire feed speed of the reversing welding wire electrode depending on a current welding phase of the welding process by the control unit are controlled, and a laser power of the laser beam emitted by the laser beam source is automatically adjusted by the control unit depending on the current welding phase of the welding process.

Echtzeit bedeutet, dass die Synchronisation während des Schweißprozesses erfolgt.Real time means that the synchronization takes place during the welding process.

Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens werden der zwischen der reversierenden Schweißdrahtelektrode und einer Schweißstelle des zu verschweißenden Werkstückes fließende Schweißstrom sowie eine zwischen der reversierenden Schweißdrahtelektrode und dem zu verschweißenden Werkstück bestehende Schweißspannung zur Erkennung einer momentanen Schweißphase innerhalb des Schweißprozesses überwacht.In a possible embodiment of the laser hybrid welding method according to the invention, the welding current flowing between the reversing welding wire electrode and a welding point of the workpiece to be welded and a welding voltage existing between the reversing welding wire electrode and the workpiece to be welded are monitored to identify a current welding phase within the welding process.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens wird die Laserstrahlquelle in Abhängigkeit von der ermittelten Schweißphase des Schweißprozesses durch die Steuereinheit der Schweißstromquelle automatisch an- oder ausgeschaltet.In a further possible embodiment of the laser-hybrid welding method according to the invention, the laser beam source is automatically switched on or off by the control unit of the welding power source depending on the determined welding phase of the welding process.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens wird eine Ablenkung des von der Laserstrahlquelle abgegebenen Laserstrahls mittels einer Optikeinheit durch die Steuereinheit in Abhängigkeit von der momentanen Schweißphase des jeweiligen Schweißzyklus des Schweißprozesses gesteuert.In a further possible embodiment of the laser hybrid welding method according to the invention, a deflection of the laser beam emitted by the laser beam source is controlled by the control unit using an optics unit depending on the current welding phase of the respective welding cycle of the welding process.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens wird ein örtlicher Versatz zwischen dem auf die Oberfläche des zu verschweißenden Werkstückes gerichteten Laserstrahl und dem an der Schweißstelle während bestimmter Schweißphasen eines jeweiligen Schweißzyklus auftretenden Lichtbogen durch die Steuereinheit durch Ansteuerung der Optikeinheit automatisch gesteuert.In a further possible embodiment of the laser hybrid welding method according to the invention, a local offset between the laser beam directed onto the surface of the workpiece to be welded and the arc occurring at the welding point during certain welding phases of a respective welding cycle is automatically controlled by the control unit by actuating the optics unit.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens umfasst der gesteuerte Schweißprozess mehrere Schweißphasen.In a further possible embodiment of the laser hybrid welding method according to the invention, the controlled welding process includes a number of welding phases.

Dabei wird bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens in einer ersten Schweißphase eines jeweiligen Schweißzyklus die Schweißdrahtelektrode durch die Steuereinheit gesteuert in einer Vorwärtsbewegung hin zu dem Werkstück bewegt, wobei eine Leerlaufspannung an der Schweißdrahtelektrode anliegt und kein Lichtbogen gezündet wird, sodass kein Strom über das Werkstück abfließt, wobei in dieser ersten Schweißphase die Steuereinheit die Laserstrahlquelle einschaltet und die Laserleistung des von der Laserstrahlquelle abgegebenen Laserstrahls erhöht, um die Oberfläche des zu verschweißenden Werkstückes vorzuheizen.In one possible embodiment of the laser hybrid welding method according to the invention, in a first welding phase of a respective welding cycle, the welding wire electrode is moved in a forward movement towards the workpiece, controlled by the control unit, with an open circuit voltage being applied to the welding wire electrode and no arc being ignited, so that no Current flows through the workpiece, wherein in this first welding phase the control unit switches on the laser beam source and increases the laser power of the laser beam emitted by the laser beam source in order to preheat the surface of the workpiece to be welded.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens wird in einer zweiten Schweißphase eines jeweiligen Schweißzyklus bei einem Spannungseinbruch der zwischen der Schweißdrahtelektrode und dem zu verschweißenden Werkstück bestehenden elektrischen Spannung die reversierende Schweißdrahtelektrode durch die Steuereinheit gesteuert in einer Rückwärtsbewegung von dem Werkstück zurückgezogen, wobei die Steuereinheit das Werkstück mit einem niedrigen elektrischen Strom für eine Zündung des Lichtbogens vorwärmt und zeitlich synchron die Laserstrahlquelle derart ansteuert, dass der von der Laserstrahlquelle abgegebene Laserstrahl eine geringere Laserleistung aufweist, um eine Wärmeeinbringung in das zu verschweißende Werkstück zu reduzieren.In a further possible embodiment of the laser-hybrid welding method according to the invention, in a second welding phase of a respective welding cycle, when there is a voltage drop in the electrical voltage existing between the welding wire electrode and the workpiece to be welded, the reversing welding wire electrode is pulled back from the workpiece in a backwards movement, controlled by the control unit, wherein the control unit preheats the workpiece with a low electrical current to ignite the arc and synchronously controls the laser beam source in such a way that the laser beam emitted by the laser beam source has a lower laser power in order to reduce heat input into the workpiece to be welded.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens wird in einer dritten Schweißphase eines jeweiligen Schweißzyklus nach Beendigung eines Kurzschlusses und somit ansteigender Schweißspannung zwischen der Schweißdrahtelektrode und dem zu verschweißenden Werkstück ein Lichtbogen mit einem erhöhten Schweißstrom gezündet wird, wobei die reversierende Schweißdrahtelektrode durch die Steuereinheit gesteuert in einer Vorwärtsbewegung hin zu dem Werkstück bewegt wird, wobei die Steuereinheit dabei die Laserstrahlquelle derart zeitlich synchron ansteuert, dass sie die Laserleistung des von der Laserstrahlquelle abgegebenen Laserstrahls ausgehend von der in der zweiten Schweißphase bereits reduzierten Laserleistung nochmals reduziert.In a further possible embodiment of the laser-hybrid welding method according to the invention, an arc with an increased welding current is ignited in a third welding phase of a respective welding cycle after the end of a short circuit and thus an increasing welding voltage between the welding wire electrode and the workpiece to be welded, with the reversing welding wire electrode through the control unit is moved in a controlled manner in a forward movement toward the workpiece, with the control unit synchronizing the laser beam source in such a way that it reduces the laser power of the laser beam emitted by the laser beam source again, starting from the laser power that was already reduced in the second welding phase.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens wird in einer vierten Schweißphase eines jeweiligen Schweißzyklus bei Auftreten eines erkannten Kurzschlusses aufgrund eines Spannungseinbruchs der Schweißspannung zwischen der Schweißdrahtelektrode und dem zu verschweißenden Werkstück die reversierende Schweißdrahtelektrode durch die Steuereinheit gesteuert in einer Rückwärtsbewegung von dem Werkstück zurückgezogen, wobei die Steuereinheit zeitlich synchron den von der Schweißstromquelle erzeugten Schweißstrom zeitlich synchron auf einem niedrigen Stromniveau einstellt und gleichzeitig die Laserleistung des von der Laserstrahlquelle abgegebenen Laserstrahls kurzzeitig erhöht, um eine Tropfenabgabe von der abschmelzenden reversierenden Schweißdrahtelektrode in ein Schmelzbad an der Schweißstelle zu fördern.In a further possible embodiment of the laser-hybrid welding method according to the invention, in a fourth welding phase of a respective welding cycle, when a short circuit is detected and occurs due to a voltage drop in the welding voltage between the welding wire electrode and the workpiece to be welded, the reversing welding wire electrode is controlled by the control unit in a reverse movement from the The workpiece is withdrawn, the control unit setting the welding current generated by the welding power source synchronously in time to a low current level and at the same time briefly increasing the laser power of the laser beam emitted by the laser beam source in order to promote droplet discharge from the melting reversing welding wire electrode into a molten pool at the welding point .

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens besteht in einer fünften Schweißphase eines jeweiligen Schweißzyklus nach erfolgter Tropfenabgabe an das Schmelzbad eine Leerlaufspannung zwischen der Schweißdrahtelektrode und dem zu verschweißenden Werkstück und es wird kein Lichtbogen gezündet, wobei die Steuereinheit gleichzeitig zeitlich synchron die Laserstrahlquelle während dieser fünften Schweißphase abschaltet, um die Wärmeeinbringung in das Werkstück zu reduzieren.In a further possible embodiment of the laser-hybrid welding method according to the invention, in a fifth welding phase of a respective welding cycle, after the droplets have been deposited on the molten pool, there is an open-circuit voltage between the welding wire electrode and the workpiece to be welded and no arc is ignited, with the control unit simultaneously The laser beam source switches off during this fifth welding phase in order to reduce the heat input into the workpiece.

Die Erfindung schafft ferner gemäß einem weiteren Aspekt ein Laser-Hybrid-Schweißgerät zum Schweißen eines Werkstückes mit den in Patentanspruch 11 angegebenen Merkmalen.According to a further aspect, the invention also provides a laser hybrid welding device for welding a workpiece with the features specified in patent claim 11 .

Die Erfindung schafft demnach ein Laser-Hybrid-Schweißgerät zum Schweißen eines Werkstückes mittels eines Lichtbogens, der an einer Schweißstelle zwischen einer reversierenden Schweißdrahtelektrode und dem Werkstück gezündet wird, wobei das Laser-Hybrid-Schweißgerät aufweist:

eine Schweißstromquelle, welche die reversierende Schweißdrahtelektrode mit einem Schweißstrom versorgt,
eine Laserstrahlquelle, welche einen Laserstrahl erzeugt, welcher auf eine Oberfläche des zu verschweißenden Werkstückes gerichtet wird, und
eine Steuereinheit mit einer ersten Schnittstelle zur Schweißstromquelle und einer zweiten Schnittstelle zur Laserstrahlquelle, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, ein Steuerprogramm aus einem Programmspeicher zu laden und auszuführen um verschiedene Schweißphasen mehrerer Schweißzyklen eines Schweißprozesses gemäß einem Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung zu steuern.

The invention therefore creates a laser hybrid welding device for welding a workpiece by means of an arc that is ignited at a welding point between a reversing welding wire electrode and the workpiece, the laser hybrid welding device having:

a welding power source that supplies the reversing welding wire electrode with a welding current,
a laser beam source which generates a laser beam which is directed onto a surface of the workpiece to be welded, and
a control unit with a first interface to the welding power source and a second interface to the laser beam source, wherein the control unit is set up to load and execute a control program from a program memory in order to control different welding phases of several welding cycles of a welding process according to a method according to the first aspect of the invention.

Somit steuert die Steuereinheit eine Richtung und Drahtvorschubgeschwindigkeit der reversierenden Schweißdrahtelektrode in Abhängigkeit von einer momentanen Schweißphase eines jeweiligen Schweißzyklus des Schweißprozesses und überwacht optional den von der Schweißdrahtelektrode zu dem zu verschweißenden Werkstück fließenden Schweißstrom sowie eine zwischen der Schweißdrahtelektrode und dem zu verschweißenden Werkstück bestehende Schweißspannung.Thus, the control unit controls a direction and wire feed speed of the reversing welding wire electrode depending on a current welding phase of a respective welding cycle of the welding process and optionally monitors the welding current flowing from the welding wire electrode to the workpiece to be welded as well as a welding voltage existing between the welding wire electrode and the workpiece to be welded.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißgerätes schaltet die Steuereinheit die Laserstrahlquelle in Abhängigkeit von der momentanen Schweißphase eines jeweiligen Schweißzyklus des Schweißprozesses.In a further possible embodiment of the laser hybrid welding device according to the invention, the control unit switches the laser beam source depending on the current welding phase of a respective welding cycle of the welding process.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißgerätes steuert die Steuereinheit zudem eine Ablenkung des von der Laserstrahlquelle abgegebenen Laserstrahls durch Ansteuerung einer Optikeinheit in Abhängigkeit von der momentanen Schweißphase eines jeweiligen Schweißzyklus des Schweißprozesses.In a further possible embodiment of the laser hybrid welding device according to the invention, the control unit also controls a deflection of the laser beam emitted by the laser beam source by controlling an optical unit depending on the current welding phase of a respective welding cycle of the welding process.

Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens und des erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißgerätes unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.

1 zeigt ein Blockschaltbild zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißgerätes;
2A bis 2D zeigen Signaldiagramme zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens zum Schweißen eines Werkstückes.

Possible embodiments of the laser-hybrid welding method according to the invention and of the laser-hybrid welding device according to the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying figures.

1 shows a block diagram to represent an embodiment of a laser hybrid welding device according to the invention;
2A until 2D show signal diagrams to explain an embodiment of a laser-hybrid welding method according to the invention for welding a workpiece.

Wie man aus 1 erkennen kann, weist ein erfindungsgemäßes Laser-Hybrid-Schweißgerät 1 zum Schweißen eines Werkstückes W mehrere Komponenten auf. Das Laser-Hybrid-Schweißgerät 1, wie es in 1 dargestellt ist, dient zum Schweißen mindestens eines zu verschweißenden Werkstückes W bzw. zum Verschweißen zweier Werkstücke W mithilfe eines Lichtbogens LB, welcher zwischen einer reversierenden Schweißdrahtelektrode 3 und einer Schweißstelle SS des bzw. der Werkstücke/s W gezündet werden kann. Das Laser-Hybrid-Schweißgerät 1 verfügt über einen Schweißbrenner 2, der von einer Schweißstromquelle 7 des Laser-Hybrid-Schweißgerätes 1 einen Schweißstrom I beziehen kann. Zwischen einer reversierenden Schweißdrahtelektrode 3, die eine Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung ausführen kann, und der Schweißstelle SS am Werkstück W kann ein Lichtbogen LB gezündet werden, wie schematisch in 1 dargestellt. Die Schweißstromquelle 3, welche die reversierende Schweißdrahtelektrode 3 mit einem Schweißstrom I versorgt, wird durch eine Steuereinheit 4 des Laser-Hybrid-Schweißgerätes 1 gesteuert. Das Laser-Hybrid-Schweißgerät 1 weist ferner eine Laserstrahlquelle 5 auf, welche einen Laserstrahl LS generiert, der von einer Optikeinheit 6 des Laser-Hybrid-Schweißgerätes 1 auf eine Oberfläche des zu verschweißenden Werkstückes W im Bereich der Schweißstelle SS gerichtet werden kann.how to get out 1 can recognize, a laser-hybrid welding device 1 according to the invention for welding a workpiece W has several components. The laser hybrid welding device 1 as shown in 1 is shown, is used for welding at least one workpiece W to be welded or for welding two workpieces W using an arc LB, which can be ignited between a reversing welding wire electrode 3 and a welding point SS of the workpiece(s). The laser hybrid welding device 1 has a welding torch 2 that can draw a welding current I from a welding current source 7 of the laser hybrid welding device 1 . An arc LB can be ignited between a reversing welding wire electrode 3, which can move forwards or backwards, and the welding point SS on the workpiece W, as shown schematically in 1 shown. The welding power source 3, which supplies the reversing welding wire electrode 3 with a welding current I, is controlled by a control unit 4 of the laser hybrid welding device 1. The laser hybrid welding device 1 also has a laser beam source 5 which generates a laser beam LS which can be directed by an optical unit 6 of the laser hybrid welding device 1 onto a surface of the workpiece W to be welded in the area of the welding point SS.

Sowohl die Laserstrahlquelle 5 als auch die Optikeinheit 6 des Laser-Hybrid-Schweißgerätes 1 können durch die Steuereinheit 4 gesteuert werden, wie in 1 dargestellt. Die Steuereinheit 4 synchronisiert die Abgabe des Laserstrahls LS durch die Laserstrahlquelle 5 in verschiedenen Schweißphasen SP eines Schweißprozesses mit einem Auftreten eines gezündeten Lichtbogens LB während verschiedener Schweißphasen SP eines Schweißzyklus SZ des Schweißprozesses. Die Steuereinheit 4 verfügt bei einer möglichen Ausführungsform über einen Mikroprozessor, welcher ein Steuerprogramm ausführt. Dieses Steuerprogramm kann bei einer möglichen Implementierung aus einem Programmspeicher geladen werden. Das ausgeführte Steuerprogramm kann dabei verschiedene Schweißphasen SP eines Schweißzyklus eines Schweißprozesses steuern. Verschiedene Schweißphasen SP von Schweißzyklen SZ1, SZ2 eines Schweißprozesses sind beispielhaft in den Signaldiagrammen gemäß 2A bis 2D dargestellt.Both the laser beam source 5 and the optics unit 6 of the laser hybrid welding device 1 can be controlled by the control unit 4, as shown in FIG 1 shown. The control unit 4 synchronizes the emission of the laser beam LS by the laser beam source 5 in different welding phases SP of a welding process with the occurrence of an ignited arc LB during different welding phases SP of a welding cycle SZ of the welding process. In one possible embodiment, the control unit 4 has a microprocessor which executes a control program. In one possible implementation, this control program can be loaded from a program memory. The executed control program can control different welding phases SP of a welding cycle of a welding process. Different welding phases SP of welding cycles SZ1, SZ2 of a welding process are shown as examples in the signal diagrams according to FIG 2A until 2D shown.

Bei dem in 2A bis 2D dargestellten Schweißprozess umfasst der Schweißprozess zwei Schweißzyklen SZ1, SZ2 mit jeweils fünf verschiedene Schweißphasen SP. Die Steuereinheit 4 synchronisiert zeitlich die Abgabe des Laserstrahls LS in den verschiedenen Schweißphasen SP des Schweißprozesses mit dem gezündeten Lichtbogen LB. Die Synchronisation erfolgt in Echtzeit während der Durchführung des Schweißprozesses. Ein Schweißverfahren kann aus einem, mehreren und/oder einer Kombination von unterschiedlichen Schweißprozessen gebildet werden. Jeder Schweißprozess umfasst dabei einen oder mehrere Schweißzyklen SZ, die sich ihrerseits aus unterschiedlichen aufeinanderfolgenden Schweißphasen SP zusammensetzen.At the in 2A until 2D The welding process shown includes two welding cycles SZ1, SZ2, each with five different welding phases SP. The control unit 4 temporally synchronizes the emission of the laser beam LS in the various welding phases SP of the welding process with the ignited arc LB. The synchronization takes place in real time during the execution of the welding process. A welding process can be formed from one, several and/or a combination of different welding processes. Each welding process includes one or more welding cycles SZ, which in turn are composed of different consecutive welding phases SP.

Der zwischen der reversierenden Schweißdrahtelektrode 3 und der Schweißstelle SS des zu verschweißenden Werkstückes W fließende Schweißstrom I und eine zwischen der reversierenden Schweißdrahtelektrode 3 und dem zu verschweißenden Werkstück W bestehende Schweißspannung U kann zur Erkennung und Überwachung einer momentanen Schweißphase SP innerhalb des Schweißprozesses zusätzlich überwacht werden. Durch die Steuereinheit 4 werden eine Bewegungsrichtung und eine Drahtvorschubgeschwindigkeit V_D der reversierenden Schweißdrahtelektrode 3 in Abhängigkeit einer momentanen Schweißphase SP eines Schweißzyklus SZ des Schweißprozesses angesteuert. Weiterhin kann bei einer möglichen Ausführungsform die Laserstrahlquelle 5 in Abhängigkeit von der ermittelten Schweißphase SP des Schweißprozesses durch die Steuereinheit 4 automatisch an- oder ausgeschaltet werden. Eine Laserleistung P des von der Laserstrahlquelle 5 abgegebenen Laserstrahls LS wird durch die Steuereinheit 4 in Abhängigkeit von der momentanen Schweißphase SP eines Schweißzyklus SZ des Schweißprozesses automatisch eingestellt. Ferner kann die Steuereinheit 4 eine Ablenkung des von der Laserstrahlquelle 5 abgegebenen Laserstrahls LS mittels der Optikeinheit 6 in Abhängigkeit von der momentanen Schweißphase SP eines Schweißzyklus des Schweißprozesses ansteuern. Bei einer möglichen Ausführungsform wird zusätzlich ein örtlicher Versatz zwischen dem auf die Oberfläche des zu verschweißenden Werkstückes W gerichteten Laserstrahl LS und dem an der Schweißstelle SS während bestimmter Schweißphasen SP auftretenden Lichtbogen LB durch die Steuereinheit 4 durch Ansteuerung der Optikeinheit 6 gesteuert.The welding current I flowing between the reversing welding wire electrode 3 and the welding point SS of the workpiece W to be welded and a welding voltage U existing between the reversing welding wire electrode 3 and the workpiece W to be welded can also be monitored to identify and monitor a current welding phase SP within the welding process. A movement direction and a wire feed speed V _D of the reversing welding wire electrode 3 are controlled by the control unit 4 as a function of a current welding phase SP of a welding cycle SZ of the welding process. Furthermore, in a possible embodiment, the laser beam source 5 can be switched on or off automatically by the control unit 4 depending on the determined welding phase SP of the welding process. A laser power P of the laser beam LS emitted by the laser beam source 5 is automatically set by the control unit 4 as a function of the instantaneous welding phase SP of a welding cycle SZ of the welding process. Furthermore, the control unit 4 can control a deflection of the laser beam LS emitted by the laser beam source 5 by means of the optics unit 6 depending on the instantaneous welding phase SP of a welding cycle of the welding process. In one possible embodiment, a local offset between the laser beam LS directed onto the surface of the workpiece W to be welded and the arc LB occurring at the welding point SS during certain welding phases SP is controlled by the control unit 4 by actuating the optics unit 6 .

Bei dem erfindungsmäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahren erfolgt somit eine Synchronisierung des Laserstrahls LS mit dem Lichtbogen LB. Hierzu weist die Steuereinheit 4 eine erste Schnittstelle zu der Schweißstromquelle 7 und eine zweite Schnittstelle zu der Laserstrahlquelle 5 auf. Darüber hinaus kann die Steuereinheit 4 eine weitere Schnittstelle zu der Optikeinheit 6 besitzen, wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 dargestellt. Die verschiedenen Komponenten des Laser-Hybrid-Schweißgerätes 1 können bei einer möglichen Ausführungsform auch über ein Bussystem miteinander kommunizieren, um Informationen auszutauschen.In the laser hybrid welding method according to the invention, the laser beam LS is thus synchronized with the arc LB. For this purpose, the control unit 4 has a first interface to the welding current source 7 and a second interface to the laser beam source 5 . In addition, the control unit 4 can have a further interface to the optics unit 6, as in the exemplary embodiment according to FIG 1 shown. In one possible embodiment, the various components of the laser hybrid welding device 1 can also communicate with one another via a bus system in order to exchange information.

Bei einer möglichen Implementierung können verschiedene Komponenten an ein Montageelement eines Laser-Hybrid-Schweißkopfes angebracht sein. An das Montageelement kann beispielsweise die Optikeinheit 6 sowie der Schweißbrenner 2 angebracht sein. Dieses Montagebauelement ist beispielsweise an einem Roboterarm angebracht. Hierdurch kann der Laser-Hybrid-Schweißkopf mittels einer Steuerung über einen Roboterarm bewegt werden. An der Optikeinheit 6 kann bei einer möglichen Implementierung eine Crossjet-Leitvorrichtung zur Bildung eines sogenannten Crossjets vorgesehen sein, um die Laseroptik der Optikeinheit 6 mit Druckluft (Crossjet) vor Schweißspritzern zu schützen.In one possible implementation, various components may be attached to a mounting element of a hybrid laser weld head. For example, the optics unit 6 and the welding torch 2 can be attached to the mounting element. This mounting component is attached to a robot arm, for example. As a result, the laser hybrid welding head can be moved using a controller via a robot arm. In a possible implementation, a crossjet guide device can be provided on the optics unit 6 to form a so-called crossjet in order to protect the laser optics of the optics unit 6 from welding spatter with compressed air (crossjet).

Die Laserstrahlquelle 5 befindet sich beabstandet zum Montageelement bzw. Schweißkopf, wobei der Laserstrahl über ein Lichtleitkabel zur Optikeinheit 6 geleitet wird.The laser beam source 5 is located at a distance from the mounting element or welding head, with the laser beam being guided to the optics unit 6 via a fiber-optic cable.

Der Schweißbrenner 2 ist über ein Schlauchpaket mit der Schweißstromquelle 7 verbunden, welche ebenso beabstandet angeordnet ist. Über das Schlauchpaket bezieht der Schweißbrenner 2 auch ein Schutzgas, welches zum Schutz der Schweißstelle SS vor Oxidation auf die Schweißstelle SS gerichtet wird. Durch Synchronisation kann die Steuerungseinheit 4 des Laser-Hybrid-Schweißgerätes 1 mit einem Taktsignalgeber verbunden sein, der ein Taktzeitsignal erzeugt, welches zur Synchronisation der verschiedenen Einheiten des Laser-Hybrid-Schweißgerätes 1 an die verschiedenen Komponenten verteilt angelegt werden kann. Bei einer möglichen Implementierung ist der Zeitsignaltaktgeber über eine Taktsignalleitung mit der Steuereinheit 4, der Schweißstromquelle 7 und mit der Laserstrahlquelle 5 sowie mit der Optikeinheit 6 verbunden.The welding torch 2 is connected via a hose package to the welding current source 7, which is also arranged at a distance. The welding torch 2 also receives an inert gas via the hose package, which is directed at the weld point SS to protect the weld point SS from oxidation. By synchronization, the control unit 4 of the laser hybrid welding device 1 can be connected to a clock signal generator that generates a clock time signal that can be distributed to the various components to synchronize the various units of the laser hybrid welding device 1 . In one possible implementation, the time signal clock generator is connected to the control unit 4, the welding current source 7 and to the laser beam source 5 and to the optics unit 6 via a clock signal line.

Die 2A bis 2D zeigen Signaldiagramme zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahrens. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist jeder Schweißzyklus SZ1, SZ2 jeweils fünf Schweißphasen SP auf. Der erste dargestellte Schweißzyklus SZ1 umfasst die Schweißphasen SP11 bis SP15. Der zweite Schweißzyklus SZ2 umfasst die Schweißphasen SP21 bis SP25. Mehrere außenliegende Schweißzyklen SZ bilden einen Schweißprozess.The 2A until 2D show signal diagrams to explain an embodiment of a laser hybrid welding method according to the invention. In the exemplary embodiment shown, each welding cycle SZ1, SZ2 has five welding phases SP. The first welding cycle SZ1 shown includes the welding phases SP11 to SP15. The second welding cycle SZ2 includes the welding phases SP21 to SP25. Several external welding cycles SZ form a welding process.

2A zeigt eine Drahtvorschubgeschwindigkeit V_D der reversierenden Schweißdrahtelektrode 3 im Zeitverlauf. Die Drahtvorschubgeschwindigkeit V_D der reversierenden Schweißdrahtelektrode 3 wird durch die Steuereinheit 4 gesteuert. 2A shows a wire feed speed V _D of the reversing welding wire elec rode 3 over time. The wire feed speed V _D of the reversing welding wire electrode 3 is controlled by the control unit 4 .

Die 2B, 2C zeigen die zwischen der Schweißdrahtelektrode 3 und der Schweißstelle SS bestehende Schweißspannung U sowie den über die Schweißdrahtelektrode 3 fließenden Schweißstrom I im Zeitverlauf.The 2 B , 2C show the welding voltage U between the welding wire electrode 3 and the welding point SS and the welding current I flowing through the welding wire electrode 3 over time.

Weiterhin ist in 2D ein Verlauf einer Laserleistung P des auf die Schweißstelle SS gerichteten Laserstrahls LS über die Zeit für verschiedene Schweißphasen SP des Schweißprozesses dargestellt.Furthermore, in 2D a course of a laser power P of the laser beam LS directed onto the welding point SS over time for different welding phases SP of the welding process.

Bei dem dargestellten Beispiel gemäß der 2A bis 2D umfasst das Laser-Hybrid-Schweißverfahren fünf Schweißphasen. Der Übergang zwischen den Schweißphasen SP erfolgt fließend, also ohne Unterbrechung.In the example shown according to the 2A until 2D the laser hybrid welding process includes five welding phases. The transition between the welding phases SP is smooth, i.e. without interruption.

In einer ersten Schweißphase SP11 (Anschleichphase) des ersten Schweißzyklus SZ1 des Schweißprozesses wird die reversierende Schweißdrahtelektrode 3 durch die Steuereinheit 4 gesteuert in einer Vorwärtsbewegung hin zu dem Werkstück W bzw. der Schweißstelle SS bewegt. Die erste Schweißphase SP11 umfasst den Zeitraum zwischen dem Zeitpunkt t₁₀ und t₁₁. Während der ersten Schweißphase SP11 liegt an der Schweißdrahtelektrode 3 eine Leerlaufspannung U an und es ist kein Lichtbogen LB gezündet, d.h., es fließt kein Schweißstrom I an das Werkstück W ab, wie in 2C dargestellt. In der ersten Schweißphase SP1 ist auch die Steuereinheit 4 die Laserstrahlquelle 5 angeschaltet und stellt die Laserleistung P des von der Laserstrahlquelle 5 abgegebenen Laserstrahls LS erhöht ein, um die Oberfläche des zu verschweißenden Werkstückes W bzw. der beiden zu verschweißenden Werkstücke vorzuheizen. In der ersten Schweißphase SP1 (Anschleichphase) befindet sich die Schweißdrahtelektrode 3 über dem Werkstück W, wobei kein Schweißstrom I abfließt und kein Lichtbogen LB gezündet ist. Im Idealfall erfolgt eine kontaktlose Lichtbogenzündung des Lichtbogens LB.In a first welding phase SP11 (creep phase) of the first welding cycle SZ1 of the welding process, the reversing welding wire electrode 3 is controlled by the control unit 4 in a forward movement toward the workpiece W or the welding point SS. The first welding phase SP11 covers the period between time t ₁₀ and t ₁₁ . During the first welding phase SP11, there is an open-circuit voltage U at the welding wire electrode 3 and no arc LB is ignited, ie no welding current I flows to the workpiece W, as in FIG 2C shown. In the first welding phase SP1, the control unit 4 of the laser beam source 5 is also switched on and increases the laser power P of the laser beam LS emitted by the laser beam source 5 in order to preheat the surface of the workpiece W to be welded or the two workpieces to be welded. In the first welding phase SP1 (creep phase), the welding wire electrode 3 is above the workpiece W, with no welding current I flowing away and no arc LB being ignited. In the ideal case, the arc LB is struck without contact.

In einer zweiten Schweißphase SP12 des ersten Schweißzyklus SZ1 des Schweißprozesses (Vorwärmphase) wird der erste Kurzschluss bzw. Spannungseinbruch der zwischen der Schweißdrahtelektrode 3 und der Schweißstelle SS bestehenden Spannung U zum Zeitpunkt t₁₁ erkannt. Dies kann bei einer möglichen Implementierung auch kontaktlos erfolgen. Anschließend wird die Schweißdrahtelektrode 3 durch eine Rückwärtsbewegung durch Beaufschlagung mit einem niedrigen elektrischen Schweißstrom I für eine erste Zündung des Lichtbogens LB vorgewärmt. Beim Start der zweiten Schweißphase SP12 (Vorwärmphase) wird die Laserleistung P des von der Laserstrahlquelle 5 abgegebenen Laserstrahls LS zum Zeitpunkt t₁₁ reduziert, um die Wärmeeinbringung in das Werkstück W gering zu halten. Die reversierende Schweißdrahtelektrode 3 wird durch die Steuereinheit 4 gesteuert in einer Rückwärtsbewegung in der zweiten Schweißphase SP2 von dem Werkstück W zurückgezogen. Dabei steuert die Steuereinheit 4 die Schweißstromquelle 3 derart an, dass ein relativ niedriger elektrischer Strom I fließt, sodass eine Vorerwärmung für eine anschließende Zündung des Lichtbogens LB erfolgt.In a second welding phase SP12 of the first welding cycle SZ1 of the welding process (preheating phase), the first short circuit or voltage drop in the voltage U existing between the welding wire electrode 3 and the welding point SS is detected at time t ₁₁ . In a possible implementation, this can also take place without contact. The welding wire electrode 3 is then preheated by moving it backwards by applying a low electric welding current I for a first ignition of the arc LB. At the start of the second welding phase SP12 (preheating phase), the laser power P of the laser beam LS emitted by the laser beam source 5 is reduced at time t ₁₁ in order to keep the heat input into the workpiece W low. The reversing welding wire electrode 3 is retracted from the workpiece W under the control of the control unit 4 in a reverse movement in the second welding phase SP2. The control unit 4 controls the welding power source 3 in such a way that a relatively low electrical current I flows, so that preheating takes place for subsequent ignition of the arc LB.

In einer weiteren dritten Schweißphase SP13 (Lichtbogenphase) wird nach Beendigung des Kurzschlusses und somit ansteigender Schweißspannung U zwischen der Schweißdrahtelektrode 3 und des zu verschweißenden Werkstückes W ein Lichtbogen LB mit einem erhöhten Schweißstrom zum Zeitpunkt t₁₂ gezündet, wobei die reversierende Schweißdrahtelektrode 3 durch die Steuereinheit 4 gesteuert in einer Vorwärtsbewegung hin zu dem Werkstück W bewegt wird. Dabei steuert die Steuereinheit 4 die Laserstrahlquelle 5 derart zeitlich synchron an, dass sie die Laserleistung P des von der Laserstrahlquelle 5 abgegebenen Laserstrahls LS ausgehend von der bereits reduzierten Laserleistung P nochmals reduziert, wie in 2D erkennbar. Vor der Lichtbogenphase SP13 reißt der Kurzschluss KS auf und der Lichtbogen LB wird mit einem erhöhten Schweißstrom zum Zeitpunkt t₁₂ gezündet. Gleichzeitig wird die Schweißdrahtelektrode 3 wieder auf eine Vorwärtsbewegung durch die Steuereinheit 4 umgeschaltet, wobei die Laserleistung P zum Zeitpunkt t₁₂ nochmals reduziert wird, da durch den höheren fließenden elektrischen Strom der Schweißprozess stabil gehalten wird und die Wärmeeinbringung dabei nochmals reduziert werden soll.In a further third welding phase SP13 (arc phase), after the end of the short circuit and thus increasing welding voltage U between the welding wire electrode 3 and the workpiece W to be welded, an arc LB is ignited with an increased welding current at time t ₁₂ , with the reversing welding wire electrode 3 being controlled by the control unit 4 is controlled in a forward movement towards the workpiece W. The control unit 4 controls the laser beam source 5 synchronously in time in such a way that it further reduces the laser power P of the laser beam LS emitted by the laser beam source 5, starting from the already reduced laser power P, as in 2D recognizable. Before the arc phase SP13, the short circuit KS breaks open and the arc LB is ignited with an increased welding current at time _t12 . At the same time, the welding wire electrode 3 is switched back to a forward movement by the control unit 4, with the laser power P being reduced again at time _t12 , since the welding process is kept stable by the higher electric current flowing and the heat input is to be reduced again.

Vor der nächsten Schweißphase SP14 (Tropfenübergangsphase) des ersten Schweißzyklus SZ1 wird der Strom I abgesenkt, damit die abschmelzbare Schweißdrahtelektrode 3 den Tropfen stabil abgeben kann. In der vierten Schweißphase SP4 (Tropfenübergangsphase) wird bei Auftreten eines erkannten Kurzschlusses KS nach dem Zeitpunkt t₁₃ aufgrund eines Spannungseinbruchs der Schweißspannung U zwischen der Schweißdrahtelektrode 3 und dem zu verschweißenden Werkstück W die reversierende Schweißdrahtelektrode 3 durch die Steuereinheit 4 gesteuert in einer Rückwärtsbewegung von dem Werkstück W zurückgezogen. Dabei stellt die Steuereinheit 4 zeitlich synchron den Schweißstrom I auf ein niedriges Stromniveau ein und erhöht gleichzeitig die Laserleistung P des von der Laserstromquelle 5 abgegebenen Laserstrahls LS kurzzeitig, um eine Tropfenabgabe von der abschmelzenden reversierenden Schweißdrahtelektrode 3 in ein Schmelzbad an der Schweißstelle SS zu fördern. In der Tropfenübergangsphase SP14 kommt es zu einem Kurzschluss, bei dem der abgeschmolzene Tropfen in einer erneuten Drahtrückwärtsbewegung der Schweißdrahtelektrode 3 an das Schmelzbad abgegeben wird. Der Strom I befindet sich durch die vorhergehende Schweißphase SP13 (Lichtbogenphase) auf einem niedrigen Niveau. Zur schnelleren und stabileren Tropfenabgabe wird zu Beginn der Schweißphase SP14 die Laserleistung P des von der Laserstrahlquelle 5 abgegebenen Laserstrahls LS kurzfristig zum Zeitpunkt t₁₃ wieder erhöht, wie in 2D erkennbar.Before the next welding phase SP14 (droplet transition phase) of the first welding cycle SZ1, the current I is lowered so that the consumable welding wire electrode 3 can release the droplet in a stable manner. In the fourth welding phase SP4 (droplet transition phase), when a short circuit KS is detected after time t ₁₃ due to a voltage drop in the welding voltage U between the welding wire electrode 3 and the workpiece W to be welded, the reversing welding wire electrode 3 is controlled by the control unit 4 in a backward movement from the Workpiece W withdrawn. The control unit 4 synchronously sets the welding current I to a low current level and at the same time briefly increases the laser power P of the laser beam LS emitted by the laser current source 5 in order to promote droplet emission from the melting reversing welding wire electrode 3 into a molten pool at the welding point SS. In In the droplet transition phase SP14, a short circuit occurs, in which the melted droplet is released into the molten pool in a renewed wire backward movement of the welding wire electrode 3 . The current I is at a low level due to the previous welding phase SP13 (arc phase). For quicker and more stable droplet emission, at the beginning of the welding phase SP14, the laser power P of the laser beam LS emitted by the laser beam source 5 is briefly increased again at time t ₁₃ , as in 2D recognizable.

In einer weiteren fünften Schweißphase SP15 (Abkühlphase) des ersten Schweißzyklus SZ1 des Schweißprozesses besteht nach erfolgter Tropfenabgabe an das Schmelzbad lediglich eine Leerlaufspannung zwischen der Schweißdrahtelektrode 3 und dem zu verschweißenden Werkstück W ab dem Zeitpunkt t₁₄, wobei kein Lichtbogen LB gezündet ist. In der fünften Schweißphase SP15 kann die Steuereinheit 4 gleichzeitig zeitlich synchron die Laserstrahlquelle 5 während der fünften Schweißphase SP15 abschalten, um eine Wärmeeinbringung in das Werkstück W während dieser Schweißphase zu vermindern. In der Abkühlphase (SP15) stellt sich nach der Tropfenabgabe des Schweißtropfens von der abschmelzenden Schweißdrahtelektrode 3 wieder eine Leerlaufspannung U an der Schweißdrahtelektrode 3 ein. Es fließt in der Abkühlphase SP15 kein Strom mehr und die Drahtbewegung der Schweißdrahtelektrode 3 wird für eine festgelegte Pausenzeit zwischen Zeitpunkt t₁₄ und Zeitpunkt t₁₅ gestoppt. Die Laserleistung P des von der Laserstrahlquelle 5 abgegebenen Laserstrahls LS wird auf null reduziert, indem die Laserstrahlquelle 5 durch die Steuereinheit 4 zeitsynchron abgeschaltet wird. Das an der Schweißstelle SS gebildete Schmelzbad kühlt sich in der Abkühlphase SP15 ab. Durch die zeitliche Dauer der Abkühlphase SP15 (zwischen dem Zeitpunkt t₁₄ und dem Zeitpunkt t₁₅) kann die Wärmeeinbringung in das zu verschweißende Werkstück W gezielt gesteuert bzw. eingestellt werden.In a further fifth welding phase SP15 (cooling phase) of the first welding cycle SZ1 of the welding process, after the droplets have been released to the molten pool, there is only an open-circuit voltage between the welding wire electrode 3 and the workpiece W to be welded from time t ₁₄ , with no arc LB being ignited. In the fifth welding phase SP15, the control unit 4 can simultaneously switch off the laser beam source 5 synchronously in time during the fifth welding phase SP15 in order to reduce heat input into the workpiece W during this welding phase. In the cooling phase (SP15), after the welding droplet has been released from the melting welding wire electrode 3, an open-circuit voltage U is again established at the welding wire electrode 3. In the cooling phase SP15, no more current flows and the wire movement of the welding wire electrode 3 is stopped for a specified pause time between time t ₁₄ and time t ₁₅ . The laser power P of the laser beam LS emitted by the laser beam source 5 is reduced to zero by the laser beam source 5 being switched off synchronously by the control unit 4 . The molten pool formed at the weld point SS cools down in the cooling phase SP15. The heat input into the workpiece W to be welded can be specifically controlled or adjusted by the duration of the cooling phase SP15 (between time t ₁₄ and time t ₁₅ ).

An den ersten Schweißzyklus SZ1 mit seinen Schweißphasen SP11 bis SP15 schließt sich ein zweiter Schweißzyklus SZ2 mit entsprechenden Schweißphasen SP21 bis SP25 an. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist auch der zweite Schweißzyklus SZ eine Anschlussphase SP21 eine Vorwärmphase SP22, eine Lichtbogenphase SP23, eine Tropfenübergangsphase SP24 und eine Abkühlphase SP25 auf. Allgemein bildet die Schweißphase SPij die j-te Schweißphase des i-ten Schweißzyklus des Schweißprozesses.The first welding cycle SZ1 with its welding phases SP11 to SP15 is followed by a second welding cycle SZ2 with corresponding welding phases SP21 to SP25. In the exemplary embodiment shown, the second welding cycle SZ also has a connection phase SP21, a preheating phase SP22, an arc phase SP23, a drop transition phase SP24 and a cooling phase SP25. In general, the welding phase SPij forms the j-th welding phase of the i-th welding cycle of the welding process.

Bei dem erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahren wird somit in den verschiedenen Schweißphasen der Schweißzyklen SZ des Schweißprozesses die Laserleistung P_L des von der Laserstrahlquelle 5 erzeugten Laserstrahls LS zeitlich mit dem Auftreten des Lichtbogens LB in verschiedenen Schweißphasen SP zeitlich synchronisiert, um das Schweißergebnis bzw. die Qualität der hergestellten Schweißnaht zu optimieren.In the laser hybrid welding method according to the invention, the laser power P _L of the laser beam LS generated by the laser beam source 5 is synchronized in time with the occurrence of the arc LB in different welding phases SP in the various welding phases of the welding cycles SZ of the welding process in order to ensure the welding result or to optimize the quality of the welded seam produced.

Wie in den 2A bis 2D beispielhaft dargestellt, bilden fünf Schweißphasen SP1 bis SP5 einen Schweißzyklus SZ. Mehrere aufeinanderfolgende Schweißzyklen SZ bilden einen Schweißprozess. Die 2A bis 2D zeigen zwei aufeinanderfolgende Schweißzyklen SZ1, SZ2 des Schweißprozesses.As in the 2A until 2D shown as an example, five welding phases SP1 to SP5 form a welding cycle SZ. Several consecutive welding cycles SZ form a welding process. The 2A until 2D show two consecutive welding cycles SZ1, SZ2 of the welding process.

Die Anzahl und Art der verschiedenen Schweißphasen SP kann bei verschiedenen Anwendungsfällen variieren. Die verschiedenen Parameter des Schweißprozesses, insbesondere die Drahtvorschubgeschwindigkeit V_D und die Laserleistung P für die verschiedenen Schweißphasen SP können für verschiedene Schweißprozesse vordefiniert werden. Mit dem erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahren wird durch die Synchronisierung der verschiedenen Einheiten, insbesondere der Laserstrahlquelle 5 und der Schweißstromquelle 3, der Wärmeeintrag in das Werkstück W gezielt gesteuert. Um Schweißspritzer zu vermeiden, kann beispielsweise der Laserstrahl LS derart synchronisiert werden, dass er bei der Tropfenabgabe oder kurz davor weitgehend deaktiviert wird bzw. seine Laserleistung P auf ein niedriges Niveau abgesenkt wird.The number and type of the different welding phases SP can vary in different applications. The different parameters of the welding process, in particular the wire feed speed V _D and the laser power P for the different welding phases SP can be predefined for different welding processes. With the laser-hybrid welding method according to the invention, the heat input into the workpiece W is specifically controlled by synchronizing the various units, in particular the laser beam source 5 and the welding current source 3 . In order to avoid welding spatter, for example, the laser beam LS can be synchronized in such a way that it is largely deactivated when the drop is released or shortly before it, or its laser power P is reduced to a low level.

Die verschiedenen der in den 2A bis 2D dargestellten Parameter können für verschiedene Anwendungsfälle angepasst werden. Insbesondere die Amplitude der Laserleistung P kann für die verschiedenen Schweißphasen SP im jeweiligen Anwendungsfall in dem entsprechenden Schweißprozess bzw. Steuerprogramm eingestellt werden.The various of the in the 2A until 2D The parameters shown can be adjusted for different applications. In particular, the amplitude of the laser power P can be set for the different welding phases SP in the respective application in the corresponding welding process or control program.

Das erfindungsgemäße Laser-Hybrid-Schweißverfahren kann zum Verschweißen verschiedenartiger Werkstücke W verwendet werden. Beispielsweise kann das Werkstück W aus dem Werkstoff Titan bestehen. Für die Herstellung von feinen Strukturen aus übereinanderliegenden Schweißnähten ist es wesentlich, so wenig Wärmeenergie wie möglich in die darunterliegenden Schichten einzubringen. Mit dem erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahren ist es möglich, einen Schweißprozess durchzuführen, der trotz relativ geringer elektrischer Energie trotzdem noch stabil läuft. Um den Schweißprozess mit reversierender Schweißelektrode in einem unteren Leistungsbereich noch zu stabilisieren, kann bei dem erfindungsgemäßen Laser-Hybrid-Schweißverfahren ein vorlaufender Laserstrahl LS mit einer geringen Laserleistung P in einem Bereich ab 200 Watt und einem kleinen Laserstrahlspotdurchmesser verwendet werden. Um den Energieeintrag zu reduzieren, wird der Laserstrahl LS mit dem Schweißprozess gemäß 2 durch die Steuereinheit 4 synchronisiert, wobei der Laserstrahl LS in die Pausenzeiten, d.h. während der Abkühlphasen SP15, SP25 durch die Steuereinheit 4 vollständig ausgeschaltet werden kann, ohne dabei die stabilisierende Wirkung zu verlieren. Die Synchronisation wird derart vorgenommen, dass der Laserstrahl LS zu Beginn der Drahtvorwärtsbewegung eingeschaltet wird und somit der Grundwerkstoff des Werkstückes W punktuell vorgeheizt wird. Durch diese punktuelle Erhitzung (Hotspot) kann es zu einer berührungslosen, sehr stabilen Zündung des Lichtbogens LB kommen. Um den Lichtbogen LB auch in den Brennphasen (Lichtbogenphasen SP13, SP14) und während der Tropfenübergangsphasen SP14, SP24 weiter zu stabilisieren, wird der Laserstrahl LS vorzugsweise erst mit oder kurz vor Start der jeweiligen Pausenzeiten (SP15, SP25) ausgeschaltet. In den Pausenzeiten, d.h. den Abkühlphasen SP15, SP25 bleibt die Laserstrahlquelle 5 vorzugsweise ausgeschaltet. Danach kann der nächste Schweißzyklus SZ des Schweißprozesses von neuem beginnen, wobei der Laserstrahl LS mit dem Start des Drahtvorlaufs der Schweißdrahtelektrode 3 zum Vorheizen in der Anschleichphase eingeschaltet wird. Durch die Pausenzeiten SPi5 der Laserstrahlquelle 5 kann insgesamt die in das Werkstück W eingebrachte Energie nochmals reduziert werden, ohne dass die stabilisierende Wirkung beeinträchtigt wird. Eine derartige schnelle Synchronisation des stabilisierenden Lasers bzw. des Laserstrahls LS mit dem durch den Lichtbogen LB vorgenommenen Schweißprozess erhöht die Qualität der erzeugten Schweißnaht.The laser hybrid welding method according to the invention can be used for welding workpieces W of different types. For example, the workpiece W can be made of titanium. For the production of fine structures from superimposed weld seams, it is essential to introduce as little thermal energy as possible into the underlying layers. With the laser-hybrid welding method according to the invention, it is possible to carry out a welding process that still runs stably despite relatively little electrical energy. In order to stabilize the welding process with a reversing welding electrode in a lower power range, a leading laser beam LS with a low laser power P in a range from 200 watts and a small laser can be used in the laser hybrid welding process according to the invention beam spot diameter can be used. In order to reduce the energy input, the laser beam LS is used in accordance with the welding process 2 synchronized by the control unit 4, the laser beam LS being able to be switched off completely by the control unit 4 during the pause times, ie during the cooling phases SP15, SP25, without losing the stabilizing effect. The synchronization is carried out in such a way that the laser beam LS is switched on at the beginning of the wire advance movement and the base material of the workpiece W is thus preheated at certain points. This selective heating (hotspot) can result in contactless, very stable ignition of the arc LB. In order to further stabilize the arc LB in the burning phases (arc phases SP13, SP14) and during the droplet transition phases SP14, SP24, the laser beam LS is preferably only switched off at or shortly before the start of the respective pause times (SP15, SP25). In the pause times, ie the cooling phases SP15, SP25, the laser beam source 5 preferably remains switched off. The next welding cycle SZ of the welding process can then begin again, with the laser beam LS being switched on when the wire advance of the welding wire electrode 3 starts for preheating in the creep-up phase. Due to the pause times SPi5 of the laser beam source 5, the energy introduced into the workpiece W can be further reduced overall without the stabilizing effect being impaired. Such rapid synchronization of the stabilizing laser or the laser beam LS with the welding process carried out by the arc LB increases the quality of the weld seam produced.

Ohne das punktuelle Vorheizen wäre eine stabile Zündung auf sehr dünnwandigen Schichtaufbauten nicht reproduzierbar möglich. Speziell für das Erzeugen feiner Strukturen auf und/oder mit Titan ist dies wichtig. Das Erzeugen von Strukturen wird auch WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) genannt.Without selective preheating, stable ignition on very thin-walled layer structures would not be reproducible. This is particularly important for creating fine structures on and/or with titanium. The creation of structures is also called WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing).

Die 2A bis 2D zeigen beispielhaft zwei aufeinanderfolgende Schweißzyklen SZ eines Schweißprozesses, wobei jeder der beiden Schweißzyklus SZi fünf aufeinanderfolgende Schweißphasen SPi1 bis SPi5 umfasst. Die Anzahl N der verschiedenen Schweißphasen SPi1 bis SPiN innerhalb eines i-ten Schweißzyklus SZi kann je nach Anwendungsfall variieren. Weiterhin können verschiedene Schweißzyklen SZ mit unterschiedlichen Kombinationen von Schweißphasen SP nacheinander durch das Schweißprogramm der Steuereinheit 4 ausgeführt werden.The 2A until 2D show an example of two consecutive welding cycles SZ of a welding process, each of the two welding cycles SZi comprising five consecutive welding phases SPi1 to SPi5. The number N of the different welding phases SPi1 to SPiN within an i-th welding cycle SZi can vary depending on the application. Furthermore, different welding cycles SZ with different combinations of welding phases SP can be executed one after the other by the welding program of the control unit 4 .

Claims

Laser hybrid welding process for welding a workpiece (W) by means of an arc (LB) which is ignited at a welding point (SS) between the workpiece (W) and a reversing welding wire electrode (3) which is powered by a welding power source (7). is supplied with a welding current (I), several welding cycles (SZ1, SZ2) being carried out, each of which comprises several welding phases (SP), whereby in each welding cycle (SZ1, SZ2): - one directed to a surface of the workpiece (W). Laser beam (LS), which is emitted by a laser beam source (5), is synchronized in real time with the arc (LB) occurring during the various welding phases (SP) of the respective welding cycle (SZ) of a welding process by a control unit (4), - a direction of movement and a wire feed speed (V _D ) of the reversing welding wire electrode (3) as a function of a current welding phase (SP) of the welding process by the control unit - a laser power (P) of the laser beam (LS) emitted by the laser beam source (5) is automatically adjusted by the control unit (4) depending on the current welding phase (SP) of the welding process.

Laser hybrid welding process claim 1 , whereby the welding current (I) flowing between the reversing welding wire electrode (3) and a welding point (SS) of the workpiece (W) to be welded and a welding voltage (U) existing between the reversing welding wire electrode (3) and the workpiece (W) to be welded be monitored by the control unit (4) to identify a current welding phase (SP) within a welding process.

Laser hybrid welding process claim 1 or 2 , wherein the laser beam source (5) is automatically switched on or off by the control unit (4) depending on the determined welding phase (SP) of the welding process.

Laser hybrid welding method according to one of the preceding claims, wherein the laser beam (LS) emitted by the laser beam source (5) is deflected by means of an optics unit (6) by the control unit (4) as a function of the current welding phase (SP) of the respective welding cycle (SZ) of the welding process is controlled.

Laser hybrid welding method according to any one of the preceding claims, wherein a local offset between the on the surface of the workpiece (W) to be welded and the arc (LB) occurring at the welding point (SS) during certain welding phases (SP) of the respective welding cycle (SZ) is controlled by the control unit (4) by actuating an optical unit (6). .

Laser hybrid welding method according to one of the preceding claims, wherein in a first welding phase (SP11, SP21) of a welding cycle (SZ1, SZ2) the welding wire electrode (3) controlled by the control unit (4) in a forward movement towards the workpiece (W) is moved, with an open-circuit voltage being applied to the welding wire electrode (3) and no arc (LB) being ignited, so that no current flows through the workpiece (W), with the control unit (4) switching on the laser beam source (5) in this first welding phase and sets the laser power (P) of the laser beam (LS) emitted by the laser beam source (5) to a first value in order to preheat the surface of the workpiece (W) to be welded.

Laser hybrid welding method according to one of the preceding claims, wherein in a second welding phase (SP ₁₂ , SP ₂₂ ) of the respective welding cycle (SZ1, SZ2) in the event of a voltage drop between the welding wire electrode (3) and the workpiece (W) to be welded electrical voltage (U), the reversing welding wire electrode (3) is pulled back from the workpiece (W) in a backwards movement, controlled by the control unit (4), the control unit (4) supplying the workpiece (W) with a first electrical current for ignition of the arc (LB) and synchronously controls the laser beam source (5) in such a way that the laser beam (LS) emitted by the laser beam source (5) has a second laser power (P) in order to reduce heat input into the workpiece (W) to be welded .

Laser hybrid welding method according to one of the preceding claims, wherein in a third welding phase (SP ₁₃ , SP ₂₃ ) of the respective welding cycle (SZ1, SZ2) after the end of a short circuit and thus increasing welding voltage (U) between the welding wire electrode (3) and the workpiece (W) to be welded, an arc (LB) is ignited with a second welding current (I), the reversing welding wire electrode (3) controlled by the control unit (4) being moved in a forward movement towards the workpiece (W), the The control unit (4) controls the laser beam source (5) synchronously in time in such a way that it adjusts the laser power (P) of the laser beam (LS) emitted by the laser beam source (5) based on a laser power (P) in the second welding phase (SP ₁₂ , SP ₂₂ ) reduced.

Laser-hybrid welding method according to one of the preceding claims, wherein in a fourth welding phase (SP ₁₄ , SP ₂₄ ) of the respective welding cycle (SZ1, SZ2) when a recognized short circuit occurs due to a voltage drop in the welding voltage (U) between the welding wire electrode (3) and the workpiece (W) to be welded, the reversing welding wire electrode (3) is retracted in a backwards movement from the workpiece (W) controlled by the control unit (4), the control unit (4) synchronously setting the welding current (I) at a second current level and at the same time the laser power (P) of the laser beam (LS) emitted by the laser beam source (5) is increased for a short time in order to promote droplet emission from the melting reversing welding wire electrode (3) into a molten pool at the welding point (SS).

Laser-hybrid welding method according to one of the preceding claims, wherein in a fifth welding phase (SP ₁₅ , SP ₅₅ ) of the respective welding cycle (SZ1, SZ2) after the droplets have been released to the molten pool, an open circuit voltage between the welding wire electrode (3) and the workpiece to be welded (W) exists and no arc (LB) is ignited, the control unit (4) simultaneously switching off the laser beam source (5) synchronously in time during this fifth welding phase in order to reduce the heat input into the workpiece (W).

Laser hybrid welding device (1) for welding a workpiece (W) by means of an arc (LB) which is ignited at a welding point (SS) between a reversing welding wire electrode (3) and the workpiece (W), the laser hybrid - Welding machine (1) has: - a welding current source (7) which is set up to supply the reversing welding wire electrode (3) with a welding current (I); - A laser beam source (5) which is set up to generate a laser beam (LS) which is directed onto a surface of the workpiece (W) to be welded; and - A control unit (4) with a first interface to the welding power source (7) and a second interface to the laser beam source (5), the control unit (4) being set up to load and execute a control program from a program memory in order to carry out different welding phases (SP) to control a plurality of welding cycles (SZ1, SZ2) of a welding process according to a method according to any one of the preceding claims.

Laser hybrid welding device (1) according to claim 11 , wherein the control unit (4) is set up for: the welding current (I) flowing from the welding wire electrode (3) to the workpiece (W) to be welded and a welding voltage ( U) and to adjust a laser power (P) of the laser beam (LS) emitted by the laser beam source (5) as a function of the current welding phase (SP) of the respective welding cycle (SZ) of the welding process.

Laser hybrid welding device (1) according to claim 11 or 12 , wherein the control unit (4) is set up to: switch the laser beam source (5) depending on the current welding phase (SP) of a respective welding cycle (SZ) of the welding process and/or deflect the laser beam ( LS) by controlling an optical unit (6) of the laser hybrid welding device (1) depending on the current welding phase (SP) of the respective welding cycle (SZ) of the welding process.